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鹽酸改性膨潤土處理含鎘廢水

2021-07-16 11:26:53 15

  具有毒性高、危害大等特征,在水環(huán)境污染研究中,是最受關(guān)注的研究對象之一。目前處理含鎘廢水的主要方法有:化學(xué)沉淀法、離子交換法、電絮凝法、膜分離法、吸附法等。膨潤土作為吸附劑處理重金屬廢水研究較多,由于膨潤土本身的性質(zhì)導(dǎo)致其在實際應(yīng)用中受到限制,在使用時需要進行活化改性。

  改性膨潤土的方法眾多,無機改性的方法簡單,對環(huán)境造成的危害小。在無機改性的方法中,常用的為酸改性。酸改性的膨潤土吸附金屬離子具有制備過程簡單、吸附效率高、處理成本低的特點,是解決重金屬污染的有效途徑。

  本文以HCl溶液改性膨潤土,以鎘離子溶液為模擬鎘廢水,系統(tǒng)地研究其吸附條件和吸附機理,為未來的深入研究提供一定基礎(chǔ)。

  1、實驗部分

  1.1 試劑與儀器

  鹽酸、硝酸鎘、氫氧化鈉等均為化學(xué)純,超純水。IKA-WERKE型土壤研磨機,ML204型電子分析天平,TDL-5A型臺式離心機,SHA-CA型數(shù)顯水浴恒溫振蕩器,DHG-9140B型電熱鼓風(fēng)干燥箱,TAS-990AFG型火焰原子分光光度計。

  1.2 酸改性膨潤土的制備

  1.2.1 膨潤土的精化

  將塊狀的膨潤土粉碎,與超純水按照1∶10的比例混合均勻,浸泡24h。離心,去除雜質(zhì),經(jīng)105℃干燥,研磨粉碎,過200目篩,得到精化后的膨潤土。

  1.2.2 酸改性

  取一定量精化后的膨潤土,與超純水按照1∶10的比例混合均勻,分別加入一定體積比的鹽酸,混合均勻后在室溫下浸泡24h,進行酸改性處理。用超純水多次洗滌,直到pH值為中性。于105℃烘干,研磨粉碎,過200目篩。

  1.3 吸附實驗

  取50mL用超純水配制的Cd(NO3)2溶液,于100mL錐形瓶中,加入4g/L的酸改性膨潤土,用HCl或者NaOH調(diào)節(jié)pH值。將錐形瓶中固定于水浴恒溫振蕩器中,室溫下振蕩吸附,離心后用0.45μm濾膜過濾,用火焰原子分光光度計測定溶液中剩余鎘的濃度。

  2、結(jié)果與討論

  2.1 鹽酸濃度對改性膨潤土吸附效果的影響

  分別采用體積濃度為5%,10%,15%,20%和25%的HCl對膨潤土進行改性,對濃度20mg/L的鎘溶液進行吸附,pH值為中性,吸附時間3h。HCl濃度對改性土去除Cd2+的影響見圖1。

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

  由圖1可知,經(jīng)不同濃度鹽酸改性后的膨潤土均比沒有改性的膨潤土吸附效果好,且隨著鹽酸濃度的升高,酸改性膨潤土對鎘溶液的處理能力得到增強,呈緩慢上升的趨勢。未改性膨潤土的去除率為75.27%,5%和25%鹽酸改性膨潤土的去除率分別為81.20%和89.44%,比原土分別提高了7.9%和18.8%,可知鹽酸改性對吸附率的提高效果非常明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因可能與選擇的鎘溶液濃度有關(guān)。有文獻報道,在高濃度的溶液中,膨潤土與酸改性膨潤土處理Ni2+的差異不大,而在低濃度時,改性和未改性膨潤土處理效果差別比較明顯,說明酸改性膨潤土對低濃度的重金屬廢水處理更具有優(yōu)勢。

  2.2 pH值對吸附的影響

  pH是影響金屬離子去除率的重要因素之一,主要是因為H+是金屬離子的主要吸附競爭對象。本文對pH為4,5,6,7,8,9的20mg/L的鎘溶液進行吸附處理3h,結(jié)果見圖2。

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

  由圖2可知,去除率隨著pH的增加而增加,在pH=8時達到最大值92.73%。在pH值為4~6范圍內(nèi),去除率不到50%。這是因為在酸性條件下,溶液中存在大量H+,它們會與鎘競爭吸附位點。當(dāng)pH增大時,H+逐漸減少,使得膨潤土晶體端面負電荷增加,競爭效應(yīng)隨著消失。當(dāng)pH值>8時,去除率降低,因鎘離子會與氫氧根產(chǎn)生沉淀被去除。最佳的吸附條件為pH=8。

  2.3 鎘離子溶液初始濃度對吸附的影響

  在pH為中性,吸附時間3h的實驗條件下,分別對5~500mg/L的鎘離子溶液進行吸附處理,結(jié)果見圖3。

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

  由圖3可知,在0~20mg/L的濃度范圍內(nèi),去除率隨著鎘離子初始濃度的增加而急速增加,濃度20mg/L時,去除率達到最大值86.80%,濃度>20mg/L,去除率隨著初始濃度的增加而緩慢降低。因為吸附是一個動態(tài)平衡的過程,溶液中總是會存在一定的殘留,所以初始濃度低時,去除率反而很小。由于酸改性膨潤土吸附劑吸附鎘離子的量是有限的,因此當(dāng)溶液達到了一定的濃度時,吸附劑已經(jīng)吸附飽和,就不能繼續(xù)吸附溶液中的離子。吸附容量隨著鎘離子溶液初始濃度的增大而增加。綜上所述,最佳的初始溶液濃度為20mg/L。

  2.4 時間對吸附的影響

  在中性條件下,分別調(diào)整吸附時間為0~420min,結(jié)果見圖4。

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

  由圖4可知,去除率隨著時間的增加而增加,30min時達到吸附平衡,去除率為86.85%。30min為最佳吸附時間。

  2.5 吸附等溫線研究

  對圖3的實驗數(shù)據(jù)進行不同等溫線方程擬合,結(jié)果見表1。

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

  由表1可知,擬合程度最好的為Freundlich,線性相關(guān)系數(shù)為0.9656,說明Freundlich等溫吸附模型可以比較準(zhǔn)確地描述酸改性膨潤土對水溶液中鎘離子的吸附過程。酸改性膨潤土對鎘離子的吸附是一種在不均勻的表面下的多相吸附。Freundlich等溫平衡方程的n=1.4856,說明本實驗條件下,酸改性膨潤土吸附鎘離子是一個比較容易的反應(yīng)過程。

  2.6 吸附動力學(xué)研究

  對圖4的數(shù)據(jù)用一級動力學(xué)和二級動力學(xué)進行擬合,結(jié)果見表2。

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

  由表2可知,二級動力學(xué)的相關(guān)性系數(shù)R2高達0.9991,計算的平衡吸附容量為4.14mg/g,與實驗值4.13mg/g非常接近。因此,二級動力學(xué)方程能較為真實地反映鹽酸改性膨潤土吸附水溶液中鎘離子的吸附。二級動力學(xué)包含了外部液膜擴散、表面吸附和離子內(nèi)擴散,酸改性膨潤土對鎘離子的吸附主要以化學(xué)吸附為主,屬于吸附質(zhì)與吸附劑之間的化學(xué)作用過程。

  綜上所述,可以大概描述出酸改性膨潤土吸附水中鎘離子的一個反應(yīng)過程機理。水溶液中的鎘離子在運動過程中穿過酸改性膨潤土表面的液膜,擴散進入膨潤土層間,與以靜電形式與膨潤土相結(jié)合的水合陽離子進行離子交換,最終吸附在膨潤土上,將鎘離子從水溶液中去除。

  3、結(jié)論

  (1)用不同濃度鹽酸改性膨潤土,對含鎘廢水進行吸附處理,發(fā)現(xiàn)鹽酸改性提高了膨潤土的吸附性能,并且隨著鹽酸濃度增加,酸改性膨潤土吸附鎘的能力呈緩慢增強趨勢。

  (2)用20%鹽酸改性的膨潤土吸附鎘溶液的最佳吸附條件為:pH=8,鎘離子濃度20mg/L,反應(yīng)時間30min。在此條件下,Cd2+去除率86.80%。

  (3)Freundlich吸附等溫線方程和二級動力學(xué)方程可較好的描述酸改性膨潤土對鎘離子的吸附過程,吸附過程以化學(xué)吸附為主,吸附較易進行,30min達到平衡。(來源:新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風(fēng)險預(yù)警重點實驗室,新疆維吾爾自治區(qū)環(huán)境保護科學(xué)研究院)

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